Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности Работы энергосистем в экстремальных погодных условиях .. 8
1.1. Виды и условия гололедообразования 8
1.1.1. Виды гололедных отложений 8
1.1.2. Влияние метеоусловий на гололедообразование 10
1.1.3. Влияние параметров В Л на процесс гололедообразования
1.2. Гололедные аварии 16
1.3. Комплексная система меропрятий по борьбе с гололедными авариями
1.3.1. Применение системного подхода для повышения надежности электроэнергетической системы в условиях гололедно-ветровых воздействий 28
1.3.2. Комплексная система мероприятий по предотвращению и ликвидации гололедных аварий 33
1.4. Методы борьбы с гололедообразованием 36
1.4.1. Общие сведения 36
1.4.2. Повышение прочности линий электропередачи 37
1.4.3. Использование специальных проводов 37
1.4.4. Устройства ограничения гололедообразования на проводе 39
1.4.5. Различные способы удаления гололеда 40
1.4.6. Устройства обнаружения гололедообразования и измерения его интенсивности
1.5. Работа воздушных линий электропередачи летом при экстремально высокой температуре воздуха 46
1.6. Выводы 47
2. Техническое обеспечение системы повышения надежности работы В Л в экстремальных погодных условиях 49
2.1. Автоматизированная информационная система контроля гололедообразования и температуры провода 49
2.1.1. Системы телеизмерения гололедных нагрузок 49
2.1.2. Назначение и структура автоматизированной информационной системы 50
2.1.3. Функциональные возможности и технические характеристики основных элементов пункта контроля 53
2.1.4. Опыт применения автоматизированной информационной системы
2.2. Профилактический подогрев проводов ВЛ 64
2.3. Плавка гололеда на проводах и грозозащитных тросах ВЛ
2.3.1. Общие сведения по плавке гололеда на проводах и тросах 67
2.3.2. Плавка гололеда переменным током 71
2.3.3. Плавка гололеда постоянным током 87
2.3.4. Плавка гололеда на изолированных грозозащитных тросах
2.4. Защита и автоматика установок плавки гололеда 103
2.4.1. Релейная защита установок плавки гололеда переменным током 103
2.4.2. Релейная защита установок плавки гололеда постоянным током 109
2.4.3. Автоматика определения места повреждения на воздушной линии при плавке гололеда 115
2.5. Выводы 121
3. Математическое обеспечение системы повышения надежности работы В Л в экстремальных погодных условиях 123
3.1. Электротепловые процессы в проводах воздушных линий электропередачи 123
3.1.1. Уравнение теплового баланса 123
3.1.2. Потери мощности в проводе 124
3.1.3. Учет солнечной радиации 127
3.1.4. Теплоотдача с поверхности провода 132
3.1.5. Влияние различных факторов на величину установившейся температуры провода 140
3.1.6. Расчеты нестационарных тепловых процессов 150
3.1.7. Идентификация параметров модели теплового режима провода 154
3.2. Расчеты режимов плавки гололеда 158
3.2.1. Расчет теплового режима провода при плавке гололеда на проводах 158
3.2.2. Расчет аварийных режимов выпрямительной установки и теплового режима вентилей 161
3.3. Расчеты механических параметров воздушных линий 168
3.3.1. Требования нормативных документов к габаритам В Л 168
3.3.2. Расчет удельной нагрузки 171
3.3.3. Уравнение провисания провода в пролете и его решения 174
3.3.4. Методы расчета анкерного пролета 190
3.3.5. Расчет начальных условий 192
3.3.6. Диагностирование проводов ВЛ 193
3.3.7. Экспериментальная проверка методики расчета электротеплового режима и механических параметров линии 196
3.4. Расчет предельно допустимого тока воздушной линии 198
3.4.1. Режимы работы ВЛ 198
3.4.2. Допустимые температуры проводников 198
3.4.3. Расчет предельно допустимого тока по механической прочности провода 200
3.4.4. Расчет допустимого тока по габаритам ВЛ 200
3.4.5. Допустимое время утяжеленного и аварийного режима 201
3.4.6. Расчетные климатические условия для определения предельной токовой нагрузки 205
3.4.7. Расчет допустимого тока по измеренной температуре провода.. 208
3.5. Методики обработки данных системы АИСКГТ 210
3.5.1. Расчет толщины стенки гололеда по показаниям датчиков нагрузки 210
3.5.2. Прогноз развития гололедной ситуации 214
3.5.3. Расчет параметров гололедообразования в точках В Л не оборудованных датчиками 216
3.6. Выводы 220
4. Программноеобеспечение системы повышения надежности работы ВЛ в экстремальных погодных условиях 223
4.1. Комплекс программ по расчету режимов плавки гололеда «ГОЛОЛЕД» 223
4.1.1. Общие сведения 223
4.1.2. Программа расчета режима плавки гололеда постоянным током «Гололед 2.0» 225
4.1.3. Программа расчета режима плавки гололеда переменным током «Гололед ПО» 235
4.1.4. Программы комплекса «Гололед» 242
4.2. Программа расчета предельных токовых нагрузок и контроля температуры провода «Мониторинг ВЛ» 244
4.2.1. Общие сведения 244
4.2.2. Пользовательский интерфейс 245
4.3. Программное обеспечение системы автоматизированной информационной системы 259
4.3.1. Состав программного обеспечения 259
4.3.2. Пользовательский интерфейс 260
4.4. Выводы 265
5. Управление энергосистемами в экстремальных погодных условиях 267
5.1. Централизованная автоматизированная система управления плавкой гололеда в энергосистеме 267
5.2. Противоаварийное автоматическое управление при перегрузке воздушных линий электропередачи
5.2.1. Принципы построения автоматики ограничения перегруза линий 272
5.2.2. Уставки устройства автоматики ограничения перегруза линий.. 274
5.2.3. Особенности алгоритмов функционирования автоматики ограничения перегруза линий 280
5.3. Выводы 282
Заключение 284
Литература
- Комплексная система меропрятий по борьбе с гололедными авариями
- Назначение и структура автоматизированной информационной системы
- Потери мощности в проводе
- Программа расчета режима плавки гололеда переменным током «Гололед ПО»
Введение к работе
Диссертация посвящена научному обоснованию основных технических и технологических решений автора, направленных на повышение надежности, обеспечение энергобезопасности и совершенствование управления работой электроэнергетических систем в экстремальных погодных условиях.
Актуальность проблемы. Работа посвящена разработке программных и технических средств по обеспечению надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителей. Эта цель не будет достигнута без повышения надежности функционирования электроэнергетических систем, особенно в экстремальных условиях, в том числе зимой при возникновении интенсивных гололедно-ветровых воздействий и летом при высокой температуре воздуха, ограничивающей передачу мощности по линиям электропередачи. Повышение надежности возможно в настоящее время путем комплексного использования новых информационных технологий.
Гололедные аварии вызываются отложением гололеда (изморози, мокрого снега) на проводах и грозозащитных тросах воздушных линий (ВЛ) электропередачи в сочетании с ветровыми нагрузками. Эти аварии во многих энергосистемах являются наиболее тяжелыми и массовыми по сравнению с нарушениями по другим причинам. Значительная часть территории России в той или иной мере подвержена влиянию гололеда на работу энергосистем. В более чем сорока энергосистемах за последние 30 лет многократно происходили аварии на линиях электропередачи при воздействии интенсивных гололедно-ветровых нагрузок. Наиболее опасными с точки зрения гололеда являются: Северный Кавказ, Урал и Поволжье, Север и Северо-Запад, Дальний Восток и Сахалин.
Различным аспектам повышения надежности электрических сетей энергосистем при гололедно-ветровых ситуациях посвящены проводившиеся в течение многих лет исследования ВНИИЭ, ОРГРЭС, Энергосетьпроекта и его Южного отделения, учебных институтов - Львовского, Киевского, Новочеркасского политехнических, Уфимского авиационного, Казанского энергетического, других организаций и энергосистем. Опубликованы монографии, выпущены директивные материалы. Для решения этой задачи чл.-корр. РАН, д.т.н. Дьяковым А.Ф. предложена комплексная система мероприятий по предотвращению и ликвидации гололедных аварий.
Вопросам более полного использования нагрузочной способности воздушных линий при высокой температуре воздуха посвящены работы, опубликованные работниками: ВНИИЭ, Московского энергетического института (ТУ), Киевского политехнического института, Ростовского государственного университета путей сообщения.
Разработка и совершенствование технического, математического и программного обеспечения системы мониторинга воздушных линий электропередачи и управления энергосистемой в экстремальных погодных условиях - необходимое условие решения научно-технической проблемы повышения надежности электроснабжения потребителей.
Целью работы является повышение надежности электроснабжения потребителей и совершенствование автоматизированного и автоматического противоаварийного управления работой электроэнергетических систем в экстремальных погодных условиях. Для достижения поставленной цели решается задача по научному обоснованию и внедрению разработок технических и программных средств мониторинга воздушных линий электропередачи и управления энергосистемой в экстремальных погодных условиях.
Для решения поставленной задачи использованы методы математического моделирования, теории подобия и натурного эксперимента.
Научная новизна и основные научные результаты. Новые научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель электротепловых процессов в воздушной линии электропередачи, позволяющая учесть: зависимости коэффициента тепло- одачи от температуры воздуха; совместное действие свободной и вынужденной конвекции на охлаждение провода при малых скоростях ветра; зависимости тепловых и электрических характеристик проводов от температуры; зависимости тепловых характеристик воздуха от температуры; влияние солнечной радиации в зависимости от времени года и суток;
динамическая модель плавления гололедной муфты, учитывающая: изменение тока плавки и климатических условий во времени; изменение климатических условий по длине линии; зависимости параметров режима плавки от температуры провода и воздуха; изменение теплового сопротивления гололедной муфты по мере ее проплавления; время нагрева провода до температуры плавления гололеда; подплавление гололедной муфты в циклах плавки, когда провод обтекается неполным током;
методика и алгоритм идентификации параметров модели теплового режима, в том числе коэффициентов фундаментальных критериальных соотношения для витых проводов, работающих в реальных условиях, на основе данных замеров температуры провода и условий охлаждения на действующей линии электропередачи;
методика и алгоритм расчета механического режима работы пролета ВЛ на основе представления кривой провисания провода в пролете в виде цепной линии с учетом отклонения гирлянд изоляторов при изменении климатических условий;
методика и алгоритм расчета механического режима работы пролета ВЛ при неравномерной нагрузке на провода с учетом дополнительного увеличения длины провода в пролете за счет увеличения механического напряжения в проводе в верхних точках подвеса;
методика диагностики состояния провода с помощью неразрушающего контроля на действующей линии электропередачи
методики и алгоритмы обработки данных информационной системы контроля гололедообразования на ВЛ;
принципы построения, структура и алгоритмы функционирования централизованной автоматизированной системы плавки гололеда в энергосистеме;
- принципы построения, алгоритмы функционирования и методы расчета адаптивных уставок автоматики ограничения перегруза линий электропередачи с контролем температуры воздуха и температуры провода ВЛ.
Основные научные результаты состоят в следующем:
-
-
На основе анализа российской и зарубежной литературы разработана математическая модель электротепловых процессов в воздушной линии электропередачи в виде нелинейных дифференциальных уравнений теплового баланса, решаемых численными методами, позволяющая учесть:
зависимости коэффициента теплоодачи от температуры воздуха;
совместного действия свободной и вынужденной конвекции на охлаждение провода при малых скоростях ветра;
зависимостей тепловых и электрических характеристик проводов от температуры (теплоемкость, электрическое сопротивление);
зависимостей тепловых характеристик воздуха от температуры (теплопроводность, кинематический коэффициент вязкости);
влияния солнечной радиации в зависимости от времени года и суток.
-
Разработана динамическая модель плавления гололедной муфты, реализованная в программе для ЭВМ, не имеющая аналогов в литературе и в отличие от статической модели позволяющая учесть:
изменение тока плавки и климатических условий во времени;
изменение климатических условий по длине линии;
зависимости параметров режима плавки от температуры провода и воздуха;
изменение теплового сопротивления гололедной муфты по мере ее проплавления;
время нагрева провода до температуры плавления гололеда;
подплавление гололедной муфты в циклах плавки, когда провод обтекается половинным током, например, при плавке по схеме «фаза- две фазы».
Разработан алгоритм, реализованный в программе для ЭВМ, расчета аварийных режимов выпрямительных установок плавки гололеда.
Разработан алгоритм, реализованный в программе для ЭВМ, расчета температуры провода, допустимой токовой нагрузки по условиям механической прочности проводов и сохранения допустимых габаритов в пролете линии электропередачи, времени достижения максимально допустимой температуры при различных климатических условиях и различном характере изменения тока во времени, в т.ч. когда ток зависит от температуры провода.
Разработана методика и алгоритм идентификации параметров модели теплового режима на основе замеров температуры провода.
Разработаны методика и алгоритм, реализованный в программе для ЭВМ, расчета механического режима (стрелы провеса, габаритов до земли и препятствий или пересечений с другими линиями, максимального механического напряжения в проводе, максимального тяжения провода) работы пролета ВЛ с учетом:
представления кривой провисания провода в пролете в виде цепной линии;
разной высоты подвеса провода в пролете;
различного профиля трассы ВЛ;
нагрева провода электрическим током и солнечной радиацией;
отклонений гирлянд изоляторов от вертикального положения при изменении условий работы ВЛ;
определения исходного состояния ВЛ (расчетное механическое напряжение в проводе) по замерам габаритов и климатических условий.
Разработана методика и алгоритм расчета механического режима работы пролета ВЛ при неравномерной нагрузке (распределенной по какому-либо закону и сосредоточенной) на провода с учетом дополнительного увеличения длины провода в пролете за счет увеличения механического напряжения в проводе в верхних точках подвеса.
Разработана методика диагностики состояния провода (возможного изменения механических свойств при перегреве) с помощью неразрушающего контроля на действующей линии электропередачи.
Раработаны алгоритмы расчета предельных токовых нагрузок по условиям механической прочности проводов и сохранения допустимых габаритов на основании математической модели электротепловых и механических процессов.
Разаработаны методики и алгоритмы обработки данных информационной системы контроля гололедообразования на ВЛ в части:
расчета приведенной толщины стенки гололеда по показаниям датчиков гололедной нагрузки;
прогнозирования развития гололедной ситуации;
определения параметров гололедообразования в точках ВЛ, не оборудованных пунктами контроля.
Предложены принципы построения, структура и алгоритмы функционирования централизованной автоматизированной системы плавки гололеда в энергосистеме.
Предложены принципы построения, алгоритмы функционирования и методы расчета адаптивных уставок автоматики ограничения перегруза линий электропередачи с контролем температуры воздуха и температуры провода ВЛ.
Новизна разработок технического, математического и программного обеспечения системы повышения надежности , подтверждена 5 патентами на изобретения и полезную модель и 8 свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Достоверность результатов подтверждена их многократной апробацией, натурными испытаниями и опытом эксплуатации разработанных устройств и программ для ЭВМ.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Внедрение предложенных и научно обоснованных технических и программных средств существенно снижает повреждаемость воздушных линий электропередачи в экстремальных погодных условиях. Достигнут значительный экономический эффект за счет снижения: прямого ущерба от разрушения линий электропередачи, недоотпуска электроэнергии потребителям, затрат на организацию наблюдения за гололедообразованием, расхода электроэнергии на плавку гололеда и профилактический подогрев проводов воздушных линий. Основные практические результаты работы:
-
-
При непосредственном участии автора разработаны и внедрены в электрических сетях Юга России, Поволжья, Урала и Сахалина технические средства по повышению надежности работы энергосистем в экстремальных погодных условиях:
автоматизированная информационная система контроля гололедо- образования и температуры провода на ВЛ;
новые более надежные устройства и схемы плавки гололеда на проводах и грозозащитных тросах;
устройства релейной защиты и автоматики установок плавки гололеда и линий электропередачи при плавке;
централизованная система управления плавкой гололеда в энергосистеме;
противоаварийная автоматика при перегрузке воздушных линий электропередачи по току с контролем температуры воздуха и температуры провода.
-
Автором и при его непосредственном участии разработаны и внедрены в электрических сетях Юга России, Поволжья, Урала и Сахалина программные средства по повышению надежности работы энергосистем в экстремальных погодных условиях:
программный комплекс «Гололед» по расчету нормальных и аварийных режимоа плавки гололеда постоянным и переменным током на проводах игрозозащитных тросах ВЛ сосоящий из программ:
программа расчета режимов плавки гололеда постоянным током «Гололед 2.0»;
программа расчета режимов плавки гололеда переменным током «Гололед 110»;
программа расчета режимов плавки гололеда на грозозащитных тросах постоянным и переменным током «Гололед- Трос»;
программа расчета переходных режимов выпрямительных преобразователей для плавки гололеда «Мост»;
-
программа расчета допустимой токовой нагрузки по условию механической прочности проводов ВЛ и сохранению допустимых габаритов до земли, препятствий и пересечений «Мониторинг ВЛ»;
-
программное обеспечение автоматизированной информационной системы контроля гололедообразования.
Разработаны принципы диагностики состояния проводов ВЛ методами неразрушающего контроля путем замера габаритов линии при различных условиях на действующей ВЛ.
Разработаны принципы идентификации параметров модели теплового режима провода и коэффициентов фундаментальных критериальных зависимостей для витых проводов в условиях действующей ВЛ по данным замеров температуры провода и условий охлаждения.
Предложенные методики и алгоритмы прошли экспериментальную проверку на действующих линиях электропередачи филиала ОАО «ФСК ЕЭС» МЭС Юга и МРСК Юга. Разработанные программные и технические средства внедрены в эксплуатационных организациях: ФСК ЕЭС, МЭС Юга, Башкирская сетевая компания, Башкирэнерго, МРСК Юга (в т.ч. Ростовэнер- го, Кубаньэнерго, Волгоградэнерго, Калмэнерго), МРСК Северного Кавказа (в т.ч. Ставропольэнерго), МРСК Волги (в т.ч. Пензаэнерго), Сахалинэнерго; диспетчерских управлениях: Кубанское РДУ, Ростовское РДУ, СевероКавказское РДУ; а также в проектной организации - филиал ОАО «Южный ИЦЭ» «Южэнергосетьпроект».
Практическая значимость научных работ соискателя подтверждена решениями НТС РАО «ЕЭС России», отраженными в Протоколе №30 от 2 ноября 2000г. по теме «Основные концептуальные подходы к реконструкции и техническому перевооружению электрических сетей» и в Протоколе №1 от 19-20 февраля 2002г. по теме «Повышение устойчивости воздушных линий электропередачи в условиях экстремальных снего-гололедных и ветровых нагрузок».
Разработки включены в «Перечень прошедших апробацию и подтвердивших свою технико-экономическую эффективность малозатратных и бы- строокупаемых инновационных мероприятий, рекомендуемых к внедрению в энергокомпаниях», разработанный ОАО «РАО ЕЭС России» в 2007 году совместно с филиалом ОАО «ИЦ ЕЭС» «Фирма ОРГРЭС»
При непосредственном участии автора, как ответственного исполнителя, для ОАО «ФСК ЕЭС» разработан стандарт предприятия «Методика расчета предельных токовых нагрузок по условиям сохранения механической прочности проводов и допустимых габаритов воздушных линий (ВЛ)».
Апробация работы и публикации. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на семинарах международных выставок «Прогресс в проектировании, строительстве и эксплуатации электрических сетей» с 1999 по 2009гг, международных научно-технических конференциях по релейной защите ЦДУ ЕЭС России (г. Москва, 2000, 2008, 2010гг), ежегодном научном семинаре «Кибернетика электрических систем» (г. Новочеркасск, 1996-2010гг), ежегодном семинаре-совещании начальников служб РЗА АО-энерго, начальников электролабораторий электрических станций, ведущих специалистов РЗА ОЭС Северного Кавказа (Пятигорск, 1997-2001гг), на заседаниях Научно-технического совета РАО «ЕЭС России» в 2000, 2002 и 2007гг; на VII симпозиуме «Электротехника 2010» (г. Москва, 2003г), научно-техническом семинаре «Проблемы борьбы с гололедообразо- ванием» (г.Уфа, 2005г.); научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и технической диагностики энергетического оборудования» (г.Ростов-на-Дону, 2006, 2008гг); третьем международном научно- практическом электроэнергетический семинаре «Вопросы проектирования, строительства и эксплуатации ВЛ с учетом перспективы повышения надежности их работы на современном этапе» (г.Москва, 2007г.); всероссийском семинаре-совещании технических руководителей ДЗО ОАО РАО «ЕЭС России» (г.Санкт-Петербург, 2007г.); выставке, посвященная 100-летию ЮР- ГТУ(НПИ) (г.Новочеркасск, 2007г.); заседании научно-технического совета МРСК Волги (г.Оренбург, 2008г.); Северо-Кавказском энергетическом форуме «Энергоинвест» (г.Кисловодск, 2008г.); Всероссийской научно- практической конференции «Высокочастотная связь, электромагнитная совместимость, обнаружение и плавка гололеда на линиях электропередач» (г.Казань, 2010г.). Разработанные устройства и программы неоднократно демонстрировались на ВВЦ РФ (г.Москва).
По теме диссертации опубликовано 75 печатных работ, в том числе: 1 монография; 25 статей в ведущих рецензируемых научных журналах; получено 5 патентов Российской федерации, 8 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ и баз данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложений. Общий объем диссертации без приложений - 295с.
Комплексная система меропрятий по борьбе с гололедными авариями
Для промежуточных высот значение Kw определяются линейной интерполяцией. Типы местности по условиям воздействия ветра: А — открытые побе режья морей, озер, водохранилищ; пустыни, степи, лесостепи, тундра; В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равно мерно покрытые препятствиями высотой не менее 2/3 высоты опор; С — городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м, просеки в лесных массивах с высотой деревьев более высоты опор, извилистые и узкие склоновые долины и ущелья. Воздушная линия считается расположенной в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны ВЛ на расстоянии, равном тридцатикратной высоте опоры при высоте опор до 60 м и 2 км при большей высоте.
Направление вектора скорости ветра относительно оси провода определяется углом фв. Масса гололедного осадка пропорциональна simpB. Теоретически при фв, стремящемся к нулю, масса осадка также стремится к нулю. Однако вследствие пульсации вектора скорости по направлению и турбулентного характера гололедонесущих потоков нулевых осадков не наблюдается. При малых углах фв масса отложений сильно уменьшается (на 60 - 80%) и осадок плотных изморозей и смесей становится пористым и рыхлым, чешуйчатым по форме. Это приводит также к существенному уменьшению его плотности [2].
Физически указанные закономерности легко объясняются снижением поверхностной плотности потока осаждающихся капель при фв, стремящемся к нулю, и образованием пустот при чешуйчатой форме отложений. Исходя из опытных данных [10], при изменении фв от 90 до 0 плотность гололеда и смесей уменьшается, соответственно, на 50-55 и 35-40 %. Масса отложений при таких же изменениях фв уменьшается для гололеда на 80 %, для смесей и зернистой изморози на 65-70 %, для кристаллической изморози на 60-65 %.
Следующий фактор, определяющий характер гололедных отложений, — закручивание проводов, зависящее от их «жесткости». Во время интенсивных отложений односторонний осадок на жестких стержнях периодически обрушивается под действием собственной массы и ветра, не достигая максимально возможных значений, тогда как на одиночном проводе или тросе, вследствие его закручивания, образуется устойчивая муфта, которая постоянно растет в течение активной фазы гололедного процесса. Закручивание проводов приводит не только к образованию устойчивой муфты, но и значительно увеличивает стадию сохранения осадка на проводах. При этом возможно неоднократное отложение осадка на предыдущий при длительных процессах с чередующимися стадиями гололедообразования или при нескольких процессах, следующих друг за другом с перерывами. На закручивающихся проводах осадок может в течение длительного времени расти (от нескольких дней до месяца и больше) и достигать очень больших значений — 10-20 кг/м и более. На жестких стержнях за это время фиксируется несколько гололедных процессов с массой осадка, как правило, не превышающей 0,5 кг/м. Таким образом, влияние закручивания проводов на форму и на массу отложения исключительно велико.
Режим работы энергосистемы оказывает большое влияние на гололе-дообразование на ВЛ. Действие электрического поля, возникающего вокруг цепи линий электропередачи высокого напряжения, сводится в основном к тому, что водяные капли, попадая в сферу его влияния, получают наведенный заряд, в силу чего притягиваются к заряженной поверхности и осаждаются на ней. Сила притяжения капли при этом пропорциональна квадрату приложенного напряжения и обратно пропорциональна кубу расстояния. Согласно данным В.В.Бургсдорфа, интенсивность гололедных отложений на проводах, находящихся под напряжением, оказывается примерно на 30 % большей, чем на линиях без напряжения.
При протекании нагрузочного тока по линии, вследствие выделения тепла пропорционально активному сопротивлению и квадрату тока, температура провода повышается тем больше, чем хуже теплоотвод от провода, зависящий от условий окружающей среды. При увеличении температуры провода выше +1 С гололед на провод не прилипает. Если же гололедная муфта уже образовалась, то начинается проплавление в гололедной муфте канавки шириной немного большей, чем диаметр провода. На рис. 1.2 в правом нижнем углу представлена фотография гололедной муфты после плавки гололеда на В Л 10 кВ. Таким образом, одним из основных способов борьбы с гололедом на ВЛ электропередачи является нагрев провода или токами нагрузки или токами от специальных установок плавки гололеда.
Нарушения в работе воздушных линий, вызванные интенсивными гололедными и гололедно-ветровыми нагрузками, являются наиболее тяжелыми по своим последствиям. При этом происходит разрушение опор, проводов, тросов, гирлянд изоляторов, арматуры, в тяжелых случаях повреждаются многие линии на большой территории. Для восстановления требуется значительное время, капитальные вложения, материальные ресурсы и трудозатраты, зачастую велик ущерб от аварийного недоотпуска электроэнергии в отраслях народного хозяйства и коммунально-бытовой сфере.
По данным АО «Фирма «ОРГРЭС» за период с 1971 по 2001 год крупные аварии на воздушных линиях электропередачи при воздействии интенсивных гололедно-ветровых нагрузок многократно происходили в 44-х энергосистемах (см. табл. 1.10). В табл 1.11 приведены основные причины повреждения В Л за три года (1998-2000гг) по данным фирмы ОРГРЭС.
Только одна авария из-за гололедно-ветровых воздействий в Сочинских электрических сетях ОАО «Кубаньэнерго» в период с 18 по 22 декабря 2001 года привела к повреждению 2,5 тыс. км воздушных линий напряжением 0,38—220 кВ, прекращению подачи электроэнергии в коммунально-бытовой сектор с населением 320" тыс. человек, длительному ограничению электроснабжения потребителей края.
Назначение и структура автоматизированной информационной системы
Вопросы борьбы с гололедообразованием нашли отражение в работах многих ученых в России и за рубежом. Наиболее активно занимаются этой проблемой в Китае, Японии, США, Канаде, Германии. В Китае за последние два года было получено 19 патентов на различные устройства обнаружения гололедообразования.
Можно выделить несколько направлений разработок: повышение прочности линий электропередачи; использование специальных проводов; устройства ограничения гололедообразования на проводе; различные способы удаления гололеда, в т.ч. механические; устройства обнаружения гололедообразования и измерения его интенсивности.
Следующая далее информация приведена по данным патентных исследований, публикациям в открытой печати и internet, материалам конференций и семинаровПовышение прочности линий электропередачи - это одно из основных средств борьбы с гололедными авариями. Если в России при проектировании воздушных линий гололедная нагрузка принимается с повторяемостью 1 раз в 25 лет (по ПУЭ-7 [1]) [14], то в других странах применяются нормативы по гололеду с повторяемостью 1 раз в 50, 75 или 100 лет. Это снижает вероятность повреждения линии, но значительно повышает ее стоимость.
В настоящее время разработаны электротехнические Cu-Nb наноструктурированные провода с аномально высокими прочностью и электропроводностью (рис. 1.11). Такие провода выпускаются в США, Японии, Франции. В России производством таких проводов занимаются во прочные провода А.А.Бочвара). Однако для воздушных линий такие провода применяться не могут. Область их применения: микропровода - в устройствах резонансной передачи электроэнергии; индукторы - для магнитоимпульсных штамповки и сварки; фольга - в электронике для гибких печатных плат и проводов; крупные магнитные системы на 50 -100 Тл; высокопольные криогенные синхронизаторы промышленной частоты.
Для повышения надежности действующих и проектируемых ВЛ, трассы которых проходят в районах с экстремальными климатическими условиями, с повышенными ветровыми, гололедными и гололедно-ветровыми нагрузками, а также с частой и интенсивной пляской проводов, разработаны в ОАО «ВНИИЭ» новые технические решения для В Л 220-500 кВ по конструкциям: линейной арматуры (узлы крепления гирлянд изоляторов к опорам ВЛ, поддерживающие зажимы для крепления проводов к поддерживающим гирляндам изоляторов, поддерживающие зажимы для крепления проводов к V- образным гирляндам изоляторов); гирлянд изоляторов (поддерживающие гирлянды изоляторов, V - образные гирлянды изоляторов, натяжные гирлянды изоляторов); средств ограничения колебаний проводов (ограничители пляски проводов и грозозащитных тросов типа эксцентричных грузов и маятникового типа, междуфазовые изолирующие распорки на основе длинностержневых полимерных изоляторов (гибкие) и на основе стержневых полимерных изоляторов, соединенных между собой шарнирными звеньями (шарнирные)).
Прежде всего, это специальные провода, не подверженные обледенению благодаря использованию особых материалов и конструкций. Если ферромагнитный материал провода (специальный сплав) имеет точку Кюри (температуру перехода в немагнитное состояние) в диапазоне температур от 0 до 10С (у чистого железа 768С), то при пониженных температурах, когда образуется гололед, его магнитная проницаемость и потери энергии на перемагничивание возрастают, что сопровождается выделением тепла и препятствует отложению гололеда на проводе. Но такой материал имеет высокую стоимость и низкую механическую прочность.
Последний недостаток не играет роли, если материал используется для изготовления специальных устройств различной конструкции, одеваемых на провод ВЛ, так называемых муфт Кюри. Но для выделения достаточного количества тепла этими устройствами требуется определенное значение тока, т.е., в принципе, то же, что при профилактическом обогреве обычного провода током нагрузки.
Другим вариантом провода, якобы не подверженного гололедообразо-ванию, но с тем же недостатком, является провод с наружными слоями из различных сочетаний слоев алюминия и стали или с лентой из специального сплава с силиконовым покрытием, наматываемой на участки провода в виде разомкнутой спирали, и т.п. В настоящее время в России начинает широко применяться, особенно в гололедоопасных регионах, провода фирмы Nexans, в частности, провод Aero-Z (рис. 1.12). Преимуществом таких проводов является гладкая поверхность и отсутствие закручивания провода в средине пролета из-за большей жесткости на кручение. Это позволяет более эффективно бороться .с налипанием мокрого снега и умень „ л л„ тл шает величину образования гололеда. Однако
В течение многих лет проводился и проводится поиск дешевых и долговечных противогололедных покрытий провода, однако до настоящего времени удовлетворительное решение для массового применения не найдено.
Специалисты Питтсбургского университета (University of Pittsburgh) в 2009 году продемонстрировали своё нанотехнологическое покрытие, на котором не нарастает лёд. Учёные под руководством Ди Гао (Di Gao) и Лянляна Цао (Liangliang Сао) задались целью сделать своё покрытие в первую очередь эффективно отталкивающим воду. В ходе разработки покрытия учёные испробовали множество различных сочетаний силиконовых смол с наночасти-цами кремнезёма размером от 20 нанометров до 20 микрометров. Выяснилось, что взаимодействие льда и воды.с необычной поверхностью сильно зависят от ее микроструктуры. Хотя вода начинает отталкиваться при размере частиц меньше 10 микрометров, только при уменьшении масштаба элементов до 50 нанометров и ниже происходило также предотвращение образования льда. нанопокрытием Получившаяся в итоге тонкая плёнка имитирует поверхность листьев лотоса: на ней формируются микроскопические хребты. Это сокращает площадь поверхности, на которую может попасть вода, и, соответственно, предотвращает появление ледяной корки. В ходе испытаний покрытие было нанесено на одну из сторон алюминиевой пластины, которую затем поливали водой, охлаждённой до -20 градусов Цельсия, имитируя холодный дождь (рис. 1.13). Однако перспективы применения такого покрытия для проводов пока не ясны.
Потери мощности в проводе
Разработка первых систем телеизмерения гололедных нагрузок начата в начале 70-х годов прошлого века в Башкирэнерго и Ставропольэнерго совместно с Киевским политехническим институтом [19-21]. При разработке этой системы пришлось решать несколько задач: измерение гололедно-ветровой нагрузки; измерение метеорологических параметров; передача информации на ближайшую подстанцию или диспетчерский пункт; обеспечение бесперебойного питания аппаратуры в пункте контроля гололедной нагрузки; расшифровка и обработка информации на приемном пункте.
Для измерения гололедно-ветровой нагрузки первоначально (в некоторых случаях и до нынешнего времени) применялись магнитоупругие датчики [22-25]. На датчики, а также на различные варианты их применения было получено много авторских свидетельств [26-54]. Достоинством магнитоупругих датчиков является их простота, надежность, высокая прочность при достаточной для контроля гололедообразования точности. Основные недостатки: нестабильность характеристики во времени, зависимость показаний от температуры воздуха, наличие механического гистерезиса. От некоторых из этих недостатков можно частично избавиться тренировкой датчиков. Более подробно конструкция и применение магнитоупругих датчиков для измерения гололедных нагрузок описаны в [55-58].
В последнее время для измерения гололедно-ветровых нагрузок применяются тензометрические датчики, имеющие более высокую точность и стабильную линейную характеристику в широком диапазоне нагрузок.
Выполнение устройств передачи и приема данных зависит от используемых каналов связи, сигналов для передачи информации, способа их кодирования, схемы информационной сети.
При передаче информации по высоковольтным воздушным линиям электрических сетей выполнение устройств зависит от уровня напряжения этих сетей. В сетях с изолированной нейтралью (6-35 кВ) передача информации может осуществляться по каналу «фазный провод — земля» [59]. В сетях с заземленной нейтралью (110 кВ и выше) могут использоваться каналы: «изолированный грозозащитный трос — земля», высокочастотный и электронно-оптический по волоконно-оптической линии связи на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ). Радиоканалы, в том числе и радиокосмические, являются универсальными для ВЛ всех классов напряжения.
В качестве сигналов передачи данных, используемых для контроля гололедообразования, применяются [57-61]: напряжение постоянного тока различного значения, полярности и длительности; кодированные различными способами низкочастотные сигналы; кодированные различными способами высокочастотные, радио и оптические сигналы.
Каналы передачи информации с использованием фазного провода сильно подверженны влиянию сопротивления изоляции сети, изменяющегося из-за атмосферных условий и из-за включения в сеть трансформаторов напряжения с заземленной нейтралью. Хотя в некоторых случаях такие каналв передачи еще используются на линиях б-10кВ, однако в настоящее время используются более надежные радиотелемеханические системы, а в некоторых случаях оптоволоконные и спутниковые каналы [62-63].
Для питания аппаратуры в пункте контроля применялись различные способы. В настоящее время в качестве основного принят вариант с питанием устройств от аккумуляторной батареи. Подзаряд аккумулятора может осуществляться от: трансформатора напряжения (для ВЛ напряжением менее 11 ОкВ); емкостного отбора мощности; солнечной батареи; трансформатора тока (при установке датчиков на потенциале провода). Рекомендации по выбору аппаратуры пункта контроля приведены в
Для мониторинга ВЛ электропередачи в экстремальных погодных условиях применяется в настоящее время автоматизированная информационная система контроля гололедообразования и температуры провода (АИСКГТ) [65-76].
АИСКГТ состоит из пунктов контроля метеопараметров, расположенных на линиях электропередачи в местах, характерных с точки зрения гололедообразования или нагрева провода, и приемных пунктов, расположенных в диспетчерских центрах. Пункты контроля включают: микропроцессорный линейный преобразователь; датчики гололедной нагрузки на проводах и грозозащитных тросах, автоматические метеопосты с датчиками температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра; датчики температуры провода; измерительный преобразователь тока; устройство видеонаблюдения; устройства передачи и приема данных; комбинированый интеллектуальный блок питания.
На рис. 2.1 показаны фотографии некоторых датчиков пункта контроля. Пункт контроля обеспечивает опрос подключенных к нему датчиков по запросу или в автоматическом режиме с заданной периодичностью и передачу данных в пункт приема по выбранному каналу связи. Линейный преобразователь обеспечивает передачу данных по двум каналам связи. Он также дает возможность сохранения данных, с фиксацией текущего времени (в режиме «черный ящик»). Глубина хранения данных может достигать нескольких лет. В случае срабатывания одного из двух датчиков несанкционированного доступа в шкаф пункта контроля, производится передача аварийного сигнала на диспетчерский пункт.
Программа расчета режима плавки гололеда переменным током «Гололед ПО»
Для установок плавки гололеда постоянным током в [82] рекомендуется, комплекс релейной защиты, предусматривающий установку дугового короткозамыкателя, назначение которого - создание искусственного трехфазного КЗ на вводах ВУ, отключаемого выключателем УПГ на стороне ЮкВ. Управление дуговым короткозамыкателем осуществляется максимальной токовой защитой по переменной составляющей фазного тока ВУ (МТЗП).
Одним из признаков внутренних КЗ, возникающих при пробое плеча ВМ, и внешних КЗ на стороне постоянного тока является увеличение переменной составляющей (производной) фазного тока ВУ. Этот признак используется в МТЗП, действующей при увеличении напряжения на токоограничи-вающих реакторах в цепи УПГ, пропорционального производной фазного тока, сверх определенного значения. Защита выполняется с бесконтактным (для увеличения быстродействия) и контактным выходами и реагирует на среднее и действующее значения напряжения на реакторах, которое измеряется с помощью трансформаторов напряжения, подключенных первичными обмотками к выводам каждого реактора. Наличие в рабочих режимах УПГ импульсного напряжения на реакторах, обусловленного коммутационными процессами в ВМ, требует надежной отстройки МТЗ от максимального значения этого напряжения, что вводит замедление в действие защиты. Дуговой ко-роткозамыкатель, не обеспечивающий эффективное шунтирование вентилей ВУ, в дальнейшем был заменен выключателем-короткозамыкателем, создающим металлическое КЗ [84]. Управление выключателем-короткоза-мыкателем осуществляется максимальной токовой защитой, действующей без выдержки времени при внешних и внутренних КЗ и отстраиваемой от максимального рабочего тока плавки.. Принятое техническое решение, когда любой режим УПГ с перегрузкой по току автоматически переводится в режим трехфазного КЗ на стороне по низшего напряжения питающего АТ-330-500 кВ, неоправданно увеличивает число КЗ на стороне НН AT. При участии автора диссертации энергосистемах ОЭС Северного Кавказа проводятся работы по внедрению релейных защит УПГ без короткоза-мыкателя, использующих альтернативные способы отключения УПГ. Многолетний практический опыт применения УПГ на подстанциях ОЭС Северного Кавказа [99,100] не выявил случая, когда потребовалось бы использование короткозамыкателя.
Кроме описанных выше, для защиты УПГ по рекомендациям [82] применяется также двухступенчатая максимальная токовая защита, реагирующая на фазный ток УПГ, с уставками: первая ступень — 1,4/ном и вторая ступень — 1,25/ном, где /ном - номинальный ток ВУ. Первая ступень выполняется без выдержки времени. Время срабатывания второй ступени — 20с, определяется техническими характеристиками (допустимой перегрузкой) применяемых ВМ типа ВУКН и В-ТПЕД.
Такое выполнение МТЗ нерационально и неэффективно по следующим причинам:
1. Выпрямленный ток УПГ, предназначенный для плавки гололеда на ВЛ различных классов напряжения, может быть существенно меньше номинального тока ВУ, поэтому неоправданное завышение уставки первой ступени МТЗ до 1,4/ном приводит к значительному уменьшению защищаемой зоны МТЗ при КЗ на обогреваемой ВЛ;
2. В схемах плавки отсутствуют условия возникновения допустимой для ВМ перегрузки 1,25/ном в течение 20с. Во всех схемах плавки диапазон изменения рабочего тока заранее известен, поэтому увеличение выпрямленного тока выше максимального рабочего связано с повреждениями на ВЛ, которые имеют, как правило, устойчивый характер, подлежат выявлению и отключению без выдержки времени.
Рассмотрим в качестве примера УПГ, выпрямительная установка которой состоит из трех выпрямительных мостов типа В-ТПЕД, имеет номинальный ток /ном =4,8кА и предназначена для плавки гололеда на В Л 330-500 кВ. Ток плавки гололеда на фазных проводах ВЛ 330 кВ с двумя проводами в фазе около 2,2 - 2,4 кА, т.е. значительно меньше/ном. Защищаемая зона МТЗ с уставкой 1,4-4,8=6,7кА составляет менее 30% от длины линии. Для увеличения защищаемой зоны при КЗ на В Л ток срабатывания МТЗ должен быть как можно меньше и отстраиваться от максимального тока плавки.
В существующих схемах плавки с незаземленной цепью постоянного тока не предусмотрена релейная защита от замыканий полюса на землю. Отсутствует также основная защита ВЛ от однополюсных и двухполюсных КЗ с замыканием на землю в схемах плавки с заземлением в цепи постоянного тока. Применение этих защит необходимо для обнаружения повреждения в процессе плавки и исключения неоправданного включения поврежденной В Л после плавки под номинальное напряжение с последующим действием ре Ill лейной защиты и противоаварийной автоматики, в том числе неселективным, на отключение и подачу управляющих воздействий.
Для установок плавки гололеда постоянным током и воздушных линий должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и нарушений нормального режима работы: 1) короткие замыкания на В Л между полюсами во всех схемах плавки (двухполюсные КЗ); 2) короткие замыкания полюса .на землю, в том числе с обрывом провода, в схемах плавки с заземленным полюсом ВУ (однополюсные КЗ); 3) короткие замыкания на землю в сети переменного напряжения ВУ с заземленным полюсом; 4) замыкания полюса на землю, в том числе с обрывом провода, в схемах плавки без заземления полюса ВУ; 5) замыкания на землю в сети переменного напряжения ВУ в схемах плавки без заземления полюса ВУ; 6) обрыв провода (троса) ВЛ без замыкания на землю во всех схемах плавки или с замыканием через большое переходное сопротивление; 7) пробой плеча ВУ; 8) неисправности ВУ; 9) перегрузка электрооборудования УПГ в утяжеленном повторно кратковременном режиме плавки, в частности, при использовании цепи через землю для шунтирования одной или двух фаз ВЛ.
Похожие диссертации на Программно-технические средства мониторинга воздушных линий электропередачи и управления энергосистемой в экстремальных погодных условиях
-
-
